La gravedad está en crisis

La gravedad es una fuerza omnipresente. Habitual pero, a la vez, extraordinariamente misteriosa: atracción universal irrefrenable, semejante al amor, a la amistad profunda. Es la única que puede mutar, como por arte de magia, convirtiéndose en pura geometría, en curvatura de nuestro espacio-tiempo. Sin embargo, su comprensión más profunda está en el aire.

Es la más familiar de las cuatro fuerzas fundamentales, aquella con la que peleamos ya al nacer (hasta que conseguimos mantenernos en pie y echar a andar), pero la más difícil de entender en términos científicos. Más aún que la electricidad, el magnetismo y las tan espectaculares fuerzas nucleares.

Las teorías actuales sobre la gravedad, pese a sus alucinantes éxitos, están en entredicho. Por diversas razones. La más reciente: claros indicios de que la expansión del universo se acelera de forma no constante, lo que requiere una revisión profunda de la teoría general de la relatividad.

La gravedad lo invade todo

Sutilmente, pues es la fuerza más débil, pero la única que no puede ser apantallada. En 1867, Isaac Newton la vistió con un traje de fiesta, declarándola ley universal. Cuentan que un día, en su jardín, se fijó en una manzana que caía sobre la hierba. Y él cayó en la cuenta de que la fuerza con que la Tierra atraía a la manzana sería la misma con que atrapaba a la Luna, obligándola a dar vueltas. Y lo propio ocurriría con el Sol y sus planetas; y con todos los objetos celestiales. ¡Eureka!

Según su aclamada ley de gravitación universal, todos los objetos que existen se atraen entre sí, con fuerza proporcional al producto de sus masas e inversamente al cuadrado de la distancia entre ellos.

Más allá de Newton

Para sorpresa del mundo, Albert Einstein fue capaz de ir mucho más allá. En 1915, alumbró una teoría maravillosa, aunque absolutamente incomprensible, esquizofrénica, pero ¡irreverentemente perfecta! Demostró que la gravedad puede mutar, como por arte de magia, transformándose en pura geometría, en curvatura del espacio-tiempo.

¿Cómo pudo un ser humano concebir una teoría semejante? Tras cien años, el 99,99 % de la población sigue sin entenderla. Pero las observaciones y experimentos más precisos son tozudos al confirmar que es fiel al universo.

O lo era, hasta hace poco. ¡La gravedad está hoy en crisis!

Einstein: “Mi teoría no es la definitiva”

Si Einstein viviese todavía, tan extraordinaria noticia no le habría causado la menor sorpresa. Sí lo habría hecho el ver que su teoría había llegado intacta hasta nuestros días. Ya al formularla, dejó bien claro que era aproximada, que no era la definitiva: “Otros la mejorarán pronto”, dijo. Hasta en eso fue más allá que Newton, quien siempre creyó que su ley de gravitación universal sería eterna.

A fin de entender lo que ahora ocurre con la gravedad debemos retroceder un poco. Hay dos tipos de fuerzas: por contacto y a distancia. La gravitatoria, junto al resto de interacciones fundamentales (electromagnética y nucleares: fuerte y débil), actúa a distancia.

Ya para Newton la acción a distancia constituyó un misterio insondable. Jamás hizo suposiciones sobre cómo la gravedad se transmitía de un cuerpo a otro. Es famosa su frase “et hipotheses non fingo” (“yo no invento hipótesis”).

¿Cómo explicar la acción a distancia?

Se halló una manera, aceptada por todos: Faraday y Maxwell formularon el concepto de campo de fuerzas para el electromagnetismo y Einstein, para la gravedad.

El campo gravitatorio es omnipresente: todo objeto crea uno a su alrededor. No solo un planeta, una galaxia o un agujero negro. Una hormiga o un microbio también lo crean, aunque son insignificantes, casi imposibles de medir.

Pero, Einstein dijo más: en su teoría, las masas y el campo gravitatorio quedan reemplazados por la geometría, por la curvatura del espacio-tiempo. La gravedad einsteiniana es de hecho una teoría del espacio-tiempo.

Podría parecer todo resuelto. Pero esa maravillosa teoría no sirve para estudiar los átomos (Einstein jamás pretendió hacerlo). Ahí no es mejor que la gravedad de Newton: entramos de lleno en territorio cuántico.

Para adentrarse en ese nanomundo habría que cuantizar la gravedad; tal como ya se hizo, y con gran éxito, con las otras tres fuerzas fundamentales. Pero, por más que se ha intentado, no se deja.

¿Qué demonios ocurre con ella?

Buscadores del santo grial

El santo grial de la física teórica, perseguido durante décadas, es la teoría unificada de todas las fuerzas de la naturaleza, a veces bautizada como “la teoría del todo”. Einstein fracasó en sus desesperados intentos de encontrarla, por su rechazo a las interpretaciones ortodoxas de la mecánica cuántica y su indiferencia hacia la teoría de campos cuánticos.

Otros físicos y físicas prominentes (la lista sería larga) han logrado acercarse al objetivo, unificando el electromagnetismo y las fuerzas nucleares, a muy altas energías: aquellas que reinaron en el universo poco después del Big Bang. Pero la gravedad se resiste a entrar en el redil. Las alternativas para conseguirlo (supercuerdas, teorías de lazos), aunque poderosísimas, siguen sin concretarse. Tal vez porque es de naturaleza muy distinta a las demás fuerzas fundamentales, pese a interaccionar, como ellas, a distancia.

Einstein ya descubrió su carácter escapista. Y Ted Jacobson, en 1995, encontró su estrecho parentesco con la termodinámica: derivó las mismísimas ecuaciones de Einstein partiendo de las ecuaciones termodinámicas. ¡Ahí va eso! Razonamiento que extendimos a la gravedad modificada. Así que incluso hay dudas de que la gravedad sea una fuerza fundamental al nivel de las otras tres. Podría ser un fenómeno emergente.

¿Y qué pasa con la energía oscura?

Los cosmólogos sabemos por experiencia que la energía oscura es difícil de explicar dentro de la teoría de Einstein. En ella, la expansión acelerada del universo sólo puede obtenerse en base a una constante universal: la famosa constante cosmológica. Lo que implica que la aceleración cósmica debería haberse mantenido constante, a todo lo largo de su historia evolutiva. Y ese no parece ser el caso, lo que obligaría a modificar la teoría. También el problema de la materia oscura podría ser resuelto por ese camino.

Einstein ya advirtió que había tenido que truncar sus ecuaciones a orden dos. Que no había sido capaz de ir más allá. Y ocurre que, tanto la senda que conduce hacia la relatividad total como la que podría llevarnos a la cuantización del campo gravitatorio, pasan por echar más leña al fuego: por añadir términos de curvatura del espacio-tiempo. Pero ¿cuáles? En eso estamos.

Emilio Elizalde, Profesor de Investigacion Senior, Física Teórica y Cosmología, Instituto de Ciencias del Espacio (ICE - CSIC)

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.